用于通過光散射測量顆粒尺寸分布的設(shè)備和方法
【專利摘要】用于通過光散射測量顆粒尺寸分布的設(shè)備（100），包括藍(lán)色LED（102）和633納米的氦氖激光器（104）。來自LED和激光器的光輸出由二向色元件（116）分別地傳送或反射到一個(gè)穿過容納有樣品的樣品池（122）的共同路徑上，樣品的顆粒尺寸分布是待測量的。從樣品池散射的光由一個(gè)或更多個(gè)檢測器（112B-H）檢測。由樣品池傳送的光由檢測器112A，112J檢測。來自一個(gè)或更多個(gè)檢測器的輸出信號被傳遞給計(jì)算單元（114），計(jì)算單元計(jì)算顆粒尺寸分布。來自藍(lán)色發(fā)光二極管的光有一小部分被二向色元件反射到檢測器（110）。類似地，來自激光器的光的一小部分經(jīng)過二向色元件傳送至檢測器。來自檢測器的輸出信號被反饋到控制單元（106,108），以穩(wěn)定發(fā)光二極管和激光器的輸出功率。
【專利說明】用于通過光散射測量顆粒尺寸分布的設(shè)備和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于通過光散射測量顆粒尺寸分布的設(shè)備和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于通過監(jiān)控由樣品散射的光來測量樣品的顆粒尺寸分布的方法和設(shè)備是已知 的。在某些這種技術(shù)中，監(jiān)控在兩種不同波長處散射的光，以便擴(kuò)展可以被測量的顆粒尺寸 的范圍，和/或提高分辨率。例如，在0992785的歐洲專利中描述的方法和設(shè)備中，在使用 具有更長波長輸出的激光，例如氦氖激光，來進(jìn)行散射測量之外，還使用來自藍(lán)色激光二極 管或藍(lán)色LED的光來實(shí)施散射測量，以改進(jìn)對次微米顆粒尺寸的檢測和分辨率。
[0003] 為了獲得在兩種不同波長的散射測量，來自兩個(gè)合適的光源的光學(xué)輸出光束通常 多路傳輸?shù)揭粋€(gè)共同的路徑上，路徑穿過包含顆粒的樣品，或者至少提供一些設(shè)置，以便每 個(gè)光束可以在各自的時(shí)期沿著同樣的路徑撞擊樣品。分束器或分色鏡可以用來實(shí)現(xiàn)這一功 能。通常為了在接觸樣品之前檢測光束而提供裝置，使得在光源的輸出功率中的波動(dòng)可以 通過調(diào)整光源而被修正，或，使得這種波動(dòng)可以在計(jì)算顆粒尺寸分布時(shí)被考慮到。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于通過光散射測量樣品的顆粒尺寸分布的 設(shè)備，所述設(shè)備包括：光生成裝置，所述光生成裝置用于生成分別具有第一和第二波長的光 的第一光束和第二光束；二向色元件，所述二向色元件設(shè)置為通過在所述二向色元件處分 別傳送和反射所述第一光束和所述第二光束來將大部分的所述第一光束和第二光束的功 率引導(dǎo)至共同路徑上，及其中所述設(shè)備進(jìn)一步包括第一檢測器，所述第一檢測器設(shè)置為檢 測由所述二向色元件反射的所述第一光束的一部分。
[0005] 在本發(fā)明的設(shè)備中，第一光束的功率可通過檢測由二向色反射鏡反射至第一檢測 器的第一光束的部分來監(jiān)控。這避免了需要更復(fù)雜的設(shè)置來監(jiān)控入射在樣品上的所述第一 光束的功率。本發(fā)明的設(shè)備因此比具有相同的功能的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備更簡單和更便宜，并 且利用了在其他應(yīng)用中被浪費(fèi)的光能。通過相對于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備降低光學(xué)元件的數(shù)量， 設(shè)備內(nèi)的雜散反射和不必要的散射減少，從而改善了由樣品散射并隨后在設(shè)備中檢測到的 光的信噪比。這在檢測由樣品背散射的光時(shí)是尤為重要的。
[0006] 所述設(shè)備可以包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于控制所述第一光束的功率，所述 控制系統(tǒng)設(shè)置為接收來自所述第一檢測器的輸出信號并響應(yīng)于所述輸出信號調(diào)整所述第 一光束的功率。例如，如果是由激光器提供第一光束，控制系統(tǒng)可設(shè)置為在由第一檢測器檢 測到的功率減低時(shí)增加激光器的泵送速率，而在由第一檢測器檢測到的功率增加時(shí)降低泵 送速率，以便穩(wěn)定第一光束的功率。
[0007] 所述設(shè)備可以包括計(jì)算單元，所述計(jì)算單元設(shè)置為接收來自第一檢測器的信號， 并部分地基于所述信號計(jì)算所述樣品的顆粒尺寸分布。在這種情況下，計(jì)算單元設(shè)置為在 計(jì)算樣品中顆粒的顆粒尺寸分布時(shí)將第一光束的功率波動(dòng)考慮在內(nèi)。
[0008] 所述第一檢測器除了設(shè)置為檢測由二向色元件反射的第一光線的部分外，可設(shè)置 為檢測由所述二向色元件傳送的所述第二光束的一部分。這使得第一和第二光束兩者的功 率都可被監(jiān)控并且也可被使用以穩(wěn)定它們各自的功率或在確定樣品顆粒尺寸分布時(shí)被考 慮在內(nèi)。使用通用二向色元件來使得檢測器檢測第一和第二光束以及將光束引導(dǎo)至共同路 徑上，減少了光學(xué)部件的數(shù)量并由此使設(shè)備更簡單，而且減少了任何不可避免的由每個(gè)額 外的光學(xué)元件引起的散射。
[0009] 另外，為了額外地監(jiān)控第二光束的功率，設(shè)備進(jìn)一步包括第二檢測器和光學(xué)元件， 所述光學(xué)元件設(shè)置為傳送所述第二光束的基本上所有的功率至所述二向色元件并將所述 第二光束的一部分功率反射至所述第二檢測器。
[0010] 第一波長比所述第二波長短，例如，第一光束可以由藍(lán)色激光二極管或藍(lán)色LED 生成，第二光束可由633納米氦氖激光器或紅色LED生成。
[0011] 二向色元件是玻璃元件，其具有大致上平面的平行側(cè)面，所述側(cè)面的其中之一涂 覆有二向色涂層。優(yōu)選地，二向色涂層的反射率的變化率在所述第一波長上作為波長的函 數(shù)基本上位零，這樣二向色元件的性能對于第一波長中的變化不敏感，這種變化可能在光 生成裝置首次打開時(shí)發(fā)生。對于典型二向色涂層來說，紅色光的透光率在〇. 2%左右，然而 更優(yōu)選地，在所述第二波長上二向色涂層的透光率范圍是2 %和10 %之間。
[0012] 二向色元件與其他一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件一起包含在無塵殼中，用于將光傳遞至 所述設(shè)備內(nèi)的樣品。這減少了光源和樣品之間不必要的散射。
[0013] 本發(fā)明的第二方面提供了一種測量樣品顆粒尺寸分布的方法，所述方法包括以下 步驟：
[0014] ( 1)生成分別具有第一和第二波長的第一光束和第二光束；及
[0015] (2)使用二向色元件通過在所述二向色元件處分別傳送和反射所述第一光束和所 述第二光束來將大部分的所述第一光束和第二光束的功率引導(dǎo)至共同路徑上；
[0016] 其中所述方法包括步驟：使用第一檢測器檢測由所述二向色元件反射的所述第一 光束的一部分并產(chǎn)生對應(yīng)的輸出信號。
[0017] 本發(fā)明的另一方面提供了一種用于通過光散射測量樣品的顆粒尺寸分布的設(shè)備， 設(shè)備包括：光生成裝置，所述光生成裝置用于生成分別具有第一和第二波長的第一光束和 第二光束；第一波長比第二波長短；用于將兩束光束各自的部分沿著共同路徑引導(dǎo)至?xí)?光學(xué)件的裝置，會聚光學(xué)件設(shè)置為提供在第一和第二波長上的會聚光至樣品池；以及焦平 面檢測器，所述焦平面檢測器設(shè)置為檢測由樣品池傳送的第二波長的光，并且其中設(shè)備進(jìn) 一步包括光學(xué)部件，光學(xué)部件放置在樣品池和焦平面檢測器之間，并設(shè)置為將第一波長的 光反射至光學(xué)檢測器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 以下通過附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1-4示出各自的用于測量顆粒 尺寸分布的設(shè)備。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 參見圖1，用于測量顆粒尺寸分布的例示性設(shè)備100包括藍(lán)色LED、633納米氦氖 (HeNe)激光器104、控制單元106,108、二向色元件116、樣品池122、光學(xué)檢測器110、檢測 設(shè)置、和計(jì)算單元114,二向色元件116在其一側(cè)面上具有二向色涂層117,樣品池122容納 顆粒樣品，該顆粒樣品的尺寸分布待測量，檢測設(shè)置具有檢測器112A-J。示出的例示性實(shí)施 例適宜性地且簡化地表示出適合于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)備。更多的部件，比如附加到附圖所示 的那些中去的透鏡和反射鏡，可以在不偏離本發(fā)明的范疇的情況下合并到本發(fā)明中。
[0020] 設(shè)備100典型地分開地使用藍(lán)色LED102和氦氖激光器104操作來獲得光散射測 量，樣品池122中的樣品的顆粒尺寸分布可以通過計(jì)算單元114從所獲得的光散射測量中 推斷出來。來自藍(lán)色LED102的藍(lán)色光的第一光束131大部分由二向色元件116傳播并經(jīng)由 聚光光學(xué)件115傳播到樣品池122,它在樣品池122中散射并隨后由檢測器112B-H中的一 個(gè)或更多個(gè)檢測。少量百分比的來自藍(lán)色LED的光被二向色元件116的第一表面141反射 并傳播到檢測器110。由氦氖激光器104輸出的紅色光的第二光束132被反射鏡118反射 并入射到二向色元件116的相對第二表面142上。少量百分比的紅光穿過二向色元件116 至檢測器110,其余的紅光被二向色元件116的第二表面142朝向樣品池122反射，在樣品 池122中散射并由檢測器112B-H中的一個(gè)或更多個(gè)檢測。來自LED102的藍(lán)色光的第一光 束131和來自氦氖激光器104的紅色光的第二光束132由此沿著一條從二向色元件116的 第二表面142到樣品池122的共同路徑133傳播。來自檢測設(shè)置中單獨(dú)的檢測器112B-H的 信號（由對散射光的檢測產(chǎn)生）被傳送至計(jì)算單元114,計(jì)算單元114設(shè)置成響應(yīng)于信號來 為樣品池122中的顆粒計(jì)算顆粒尺寸分布。由樣品池122傳送的藍(lán)色光由檢測器112J檢 測。由樣品池122傳送的紅色光由反射元件124反射并由檢測器112A檢測。來自檢測器 112AU12J的輸出信號同樣傳送至計(jì)算單元114并在為樣品池122中樣品的顆粒尺寸分布 的計(jì)算中使用。
[0021] 來自檢測器110的輸出被傳送至控制單元106和108,控制單元106和108的運(yùn)作 用于穩(wěn)定LED102和氦氖激光器104的輸出功率。（在可選實(shí)施例中，僅有LED102的輸出功 率被控制。）如果由檢測器110檢測到的功率降低了，相關(guān)的控制單元106或108運(yùn)作，以 增加 LED102或激光器104的輸出功率。類似地，如果由檢測器110檢測到的功率增加了， 相關(guān)的控制單元106或108運(yùn)作，以降低LED102或氦氖激光器104的輸出功率。通過使用 由二向色元件116的第一表面141反射的藍(lán)色光和由二向色元件116傳送的紅色光來監(jiān)控 LED102和激光器104的輸出功率，就避免了需要更多復(fù)雜的設(shè)置來監(jiān)控入射在樣品上的光 束功率。而且，這種光能量不會如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣輕易地浪費(fèi)掉，而且設(shè)備100中的光 學(xué)元件的數(shù)量減少了，減少了不必要的散射和雜散反射并提高了由樣品散射的和由檢測器 112B-H檢測的光的信噪比。
[0022] 計(jì)算單元114被編程以包含由控制單元106,108設(shè)定的用于LED102和氦氖激光 器108的穩(wěn)定狀態(tài)輸出功率值。
[0023] 圖2示出本發(fā)明的用于測量顆粒尺寸分布的第二示例設(shè)備200。與圖1中設(shè)備100 的部件相對應(yīng)的設(shè)備200的部件使用與圖1中標(biāo)示相對應(yīng)部件所使用的標(biāo)號相差100的標(biāo) 號來標(biāo)不。來自藍(lán)色LED202和氦氖激光器204的光的第一光束231可以聯(lián)合至穿過樣品 池222的一個(gè)共同路徑233上，樣品池222容納了顆粒樣品，該顆粒樣品的尺寸分布待測。 二向色元件216帶有標(biāo)準(zhǔn)二向色涂層217,二向色涂層217將從氦氖激光器204入射來的功 率的0. 2%傳送至檢測器210。設(shè)備200包括反射元件219,反射元件219將少量百分比的 氦氖激光器204的輸出能量反射至第二檢測器211。少量百分比的藍(lán)色LED202的輸出能量 由二向色元件216反射至第一檢測器210。控制單元206、208分別響應(yīng)于來自第一檢測器 210和第二檢測器211的輸出信號，穩(wěn)定來自LED202的第一光束231的輸出功率和來自氦 氖激光器204的第二光束232的輸出功率。由樣品池222傳送的藍(lán)色光和紅色光兩者都由 檢測器212A檢測。由樣品池222中樣品散射的兩種波長的光由檢測器212B-H中的一個(gè)或 更多個(gè)檢測。來自檢測器212A-H的輸出信號被傳送至計(jì)算單元214,計(jì)算單元214被編程 以包含由控制單元204、206設(shè)定的LED202和氦氖激光器104的輸出功率的穩(wěn)定狀態(tài)值。
[0024] 二向色元件216與反射鏡218、反射元件219和聚光光學(xué)件215 -起整合至無塵殼 220中。無塵殼220減少或消除LED202和氦氖激光器204與樣品池222之間的光散射。
[0025] 圖3不出本發(fā)明的第三不例設(shè)備300。與圖1中設(shè)備100的部件相對應(yīng)的設(shè)備200 的部件使用與圖1中標(biāo)示相對應(yīng)的部件所使用的標(biāo)號相差200的標(biāo)號來標(biāo)示。設(shè)備300類 似于圖2的設(shè)備200,其中二向色涂層317是標(biāo)準(zhǔn)二向色涂層以及第一檢測器310和第二檢 測器311被提供以監(jiān)控LED302和氦氖激光器311的輸出功率。來自第一檢測器310和第 二檢測器311的輸出與來自檢測器312A-H的輸出一起傳送至計(jì)算單元314,以實(shí)現(xiàn)對樣品 池322內(nèi)的樣品的顆粒尺寸分布的計(jì)算。檢測器312A檢測由樣品池322傳送的藍(lán)光和紅 光。
[0026] 圖4示出本發(fā)明的第四示例設(shè)備400。與圖1中設(shè)備100的部件相對應(yīng)的設(shè)備400 的部件使用與圖1中標(biāo)示相應(yīng)部件所使用的標(biāo)號相差300的標(biāo)號來標(biāo)示。設(shè)備包括二向色 元件416,二向色元件416具有定制的二向色涂層417,二向色涂層417傳播來自氦氖激光 器404的光的5%。單個(gè)檢測器410被用于監(jiān)控藍(lán)色LED402和氦氖激光器404的輸出功率。 來自檢測器410的輸出信號與來自檢測器412A-J的輸出信號一起傳送至計(jì)算單元414,以 實(shí)現(xiàn)對樣品池422內(nèi)的樣品的顆粒尺寸分布的計(jì)算。檢測器412J檢測由樣品池422傳送 的藍(lán)色光。由樣品池422傳送的紅色光被反射至檢測器412A。
[0027] 二向色元件416與反射鏡418和聚光光學(xué)件415-起包括在無塵殼420中以減少 由LED402和樣品池422之間，以及激光器404和樣品池422之間的灰塵引起的不必要的散 射。
[0028] 如由所附權(quán)利要求限定的，其他實(shí)施例被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范疇。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于通過光散射測量樣品的顆粒尺寸分布的設(shè)備（1〇〇,200)，所述設(shè)備包括： 光生成裝置（102,104)，所述光生成裝置用于分別生成具有第一和第二波長的第一光束 (131)和第二光束（132);二向色元件（116)，所述二向色元件設(shè)置為通過在所述二向色元件 (116)處分別傳送和反射所述第一光束（131)和所述第二光束（132)來將大部分所述第一 光束（131)和第二光束（132)的功率引導(dǎo)至共同路徑（133)上；并且，其中所述設(shè)備（100) 還包括第一檢測器（110)，所述第一檢測器設(shè)置為檢測由所述二向色元件（116)反射的所 述第一光束（131)的一部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備（100)，還包括控制系統(tǒng)（106)，所述控制系統(tǒng)用于控制 所述第一光束（131)的功率，且其中所述控制系統(tǒng)（106)設(shè)置為接收來自所述第一檢測器 (110)的輸出信號并響應(yīng)于所述輸出信號調(diào)整所述第一光束（131)的功率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備（100)，包括計(jì)算單元（114)，所述計(jì)算單元設(shè)置為接收 來自檢測器（112A，112J)的信號，所述檢測器（112A，112J)設(shè)置為接收來自所述共同路徑 (133)的所述第一或第二光束的一部分，并部分地基于所述信號計(jì)算所述樣品的顆粒尺寸 分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備（100)，其中所述第一檢測器（110)設(shè)置為檢測由所述二 向色元件（116)傳送的所述第二光束（132)的一部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備（200)，所述設(shè)備還包括第二檢測器（211)和光學(xué)元件 (219)，所述光學(xué)元件設(shè)置為大致上傳送所述第二光束（232)的所有的功率至所述二向色元 件（116)并將所述第二光束（232)的一部分功率反射至所述第二檢測器（211)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的設(shè)備（200)，所述設(shè)備還包括控制系統(tǒng)（206, 208)，所述 控制系統(tǒng)用于控制所述第一光束（231)和所述第二光束（232)的功率，且其中所述控制系 統(tǒng)（206,208)設(shè)置為接收來自所述第一檢測器（210)的輸出信號，或根據(jù)具體情況可以是 來自所述第一檢測器（210)和所述第二檢測器（211)的輸出信號，并響應(yīng)于所述信號調(diào)整 所述第一光束（231)和所述第二光束（232)的功率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的設(shè)備（100, 200)，包括計(jì)算單元（214)，所述計(jì)算單元設(shè) 置為接收來自所述第一檢測器（210)的輸出信號，或根據(jù)具體情況可以是來自所述第一檢 測器（210)和所述第二檢測器（211)的輸出信號，并部分地基于所述輸出信號或所述這些 輸出信號計(jì)算所述樣品的顆粒尺寸分布。
8. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備（100, 200)，其中所述第一波長比所述第二波長 短。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備（100, 200)，其中所述光生成裝置（102, 202 ;104, 204) 包括用于生成所述第一光束（131，231)的藍(lán)色激光二極管或藍(lán)色LED，以及用于生成所述 第二光束（132, 232)的氦氖激光器或紅色LED。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備（100, 200)，其中所述二向色元件（116)是玻璃的 光學(xué)元件，其具有大致上平面的平行側(cè)面（141，142 ;241，242)，所述這些側(cè)面的其中之一 帶有二向色涂層（117,217)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備（1〇〇,200)，其中所述二向色涂層（117,217)的反射率 的變化率作為波長的函數(shù)在所述第一波長上大致上為零。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備（100, 200)，其中所述二向色涂層（117, 217)的 透光率τλ2在所述第二波長上的范圍是τλ2< 10%。
13. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備（200,400)，其中所述二向色元件（216,416)與 一個(gè)或多個(gè)其他光學(xué)元件（215,218,219 ;415,418) -起包含在無塵殼（220,420)中，用于 將光傳遞至所述設(shè)備（200,400)內(nèi)的樣品（222,422)。
14. 一種測量樣品（122)顆粒尺寸分布的方法，所述方法包括以下步驟： (1) 生成分別具有第一和第二波長的光的第一光束（131)和第二光束（132);及 (2) 使用二向色元件（116)通過在所述二向色元件處分別傳送和反射所述第一光束 (131)和所述第二光束（132)來將大部分的所述第一光束（131)和第二光束（132)的功率 引導(dǎo)至共同路徑（133)上； 其中所述方法包括步驟：使用第一檢測器（110)檢測由所述二向色元件（116)反射的 所述第一光束（131)的一部分并產(chǎn)生對應(yīng)的輸出信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括步驟：向控制系統(tǒng)（106)提供所述第一檢測器 (110)的所述輸出信號，所述控制系統(tǒng)（106)被設(shè)置為響應(yīng)于所述輸出信號而調(diào)整所述第一 光束（131)的功率。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括步驟：向計(jì)算單元（214)提供來自于檢測器 (112A，112J)的所述輸出信號，所述檢測器（112A，112J)設(shè)置為接收來自所述共同路徑 (133)的所述第一或第二光束（131，132)的一部分，所述計(jì)算單元設(shè)置為部分地基于所述輸 出信號計(jì)算所述樣品（122)的顆粒尺寸分布。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括步驟：使用所述第一檢測器（110)檢測由所述二 向色元件（116)傳送的所述第二光束的一部分。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括步驟：在所述第二光束（232)中使用光學(xué)元件 (219)傳送所述第二光束（232)的大部分的功率至所述二向色元件（116)并將所述第二光 束（232)的一部分功率反射至所述第二檢測器（211)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，包括步驟：向控制系統(tǒng)（206, 208)提供來自所 述第一檢測器（210)的輸出信號，或根據(jù)具體情況可以是來自所述第一檢測器（210)的輸 出信號和來自所述第二檢測器（211)的輸出信號，所述控制系統(tǒng)（206,208)設(shè)置為響應(yīng)于 它們，控制所述第一光束（231)和所述第二光束（232)的功率。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，包括步驟：向計(jì)算單元（214)提供所述第一檢 測器（210)的所述輸出信號，或根據(jù)具體情況可以是來自所述第一檢測器（210)的所述輸 出信號和來自所述第二檢測器（211)的所述輸出信號，所述計(jì)算單元設(shè)置為部分地基于所 述輸出信號或所述這些輸出信號，計(jì)算所述樣品的顆粒尺寸分布。
【文檔編號】G01N21/49GK104067105SQ201280042740
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月14日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·斯普里格斯, 鄧肯·斯帝芬森 申請人:馬爾文儀器有限公司